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毕业设计论文数字钟设计
题目:
基于单片机的数字钟设计
【摘要】近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展,单片机的应用正在不断地走向深入,由于它具有功能强,体积小,功耗低,价格便宜,工作可靠,使用方便等特点,因此特别适合于与控制有关的系统,越来越广泛地应用于自动控制,智能化仪器,仪表,数据采集,军工产品以及家用电器等各个领域,单片机往往是作为一个核心部件来使用,在根据具体硬件结构,以及针对具体应用对象特点的软件结合,以作完善。
【关键词】单片机;集成块;程序设计
引言………………………………………………………………………1
一.单片机发展历史…………………………………………………….1
1.1三大阶段………………………………………………………….2
1.2单片机的发展趋势………………………………………………4
二.单片机的组成及特点………………………………………………6
2.1单片机的组成……………………………………………………6
2.2单片机的分类……………………………………………………6
2.3单片机的特点……………………………………………………7
三.设计方案……………………………………………………………8
3.1系统主要功能……………………………………………………8
3.2硬件设计…………………………………………………………8
3.3软件设计…………………………………………………………15
3.4错误检测…………………………………………………………19
3.5总结………………………………………………………………20
四.结束语………………………………………………………………20
附录…………………………………………………………………….21
1.电子钟基本部分参考电路器件清单
2.参考文献:
3.电子钟设计程序清单
引言
20世纪末,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
时间对人们来说总是那么宝贵,工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。
忘记了要做的事情,当事情不是很重要的时候,这种遗忘无伤大雅。
但是,一旦重要事情,一时的耽误可能酿成大祸。
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势:
单片机模块中最常见的是数字钟,数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性,且无机械装置,具有更更长的使用寿命,因此得到了广泛的使用。
数字钟是采用数字电路实现对.时,分,秒.数字显示的计时装置,广泛用于个人家庭,车站,码头办公室等公共场所,成为人们日常生活中不可少的必需品,由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字钟的精度,远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等,所有这些,都是以钟表数字化为基础的。
因此,研究数字钟及扩大其应用,有着非常现实的意义。
一.单片机发展历史
1.1三大阶段
单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。
1.SCM即单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。
2.MCU即微控制器(MicroControllerUnit)阶段,主要的技术发展方向是:
不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
单片机作为微型计算机的一个重要分支,应用面很广,发展很快。
自单片机诞生至今,已发展为上百种系列的近千个机种。
如果将8位单片机的推出作为起点,那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段:
(1)第一阶段(1976-1978):
单片机的控索阶段。
以Intel公司的MCS–48为代表。
MCS–48的推出是在工控领域的控索,参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等,都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代,“单机片”一词即由此而来。
(2)第二阶段(1978-1982)单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS–48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。
MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构,包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善,并且增加了许多突出控制功能的指令。
(3)第三阶段(1982-1990):
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段,也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS–96系列单片机,将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中,体现了单片机的微控制器特征。
随着MCS–51系列的广应用,许多电气厂商竞相使用80C51为内核,将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中,增强了外围电路路功能,强化了智能控制的特征。
1.2单片机的发展趋势
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
下面是单片机的主要发展趋势。
CMOS化近年,由于CHMOS技术的进小,大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外,还具有功耗的可控性,使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS(金属栅氧化物)半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快,但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高,又出现了HMOS(高密度、高速度MOS)和CHMOS工艺。
CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度,传输延迟时间小于2ns,它的综合优势已在于TTL电路。
因而,在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
低功耗化单片机的功耗已从Ma级,甚至1uA以下;使用电压在3~6V之间,完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低,而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽,一般在3~6V范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。
目前0.8V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
大容量化以往单片机内的ROM为1KB~4KB,RAM为64~128B。
但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求,须运用新的工艺,使片内存储器大容量化。
目前,单片机内ROM最大可达64KB,RAM最大为2KB。
随着半导体集成工艺的不断发展,单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。
在单片机家族中,80C51系列是其中的佼佼者,加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多5著名IC制造厂商,如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等,这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。
这样,80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族,现统称为80C51系列。
80C51单片机已成为单片机发展的主流。
二.单片机的组成及特点
单片机是微型机的一个主要分支,在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。
就其组成和功能而言,一块单片机芯片就是一台计算机。
2.1单片机的组成
单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体,其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。
其中,地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址,CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口;/数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O接口之间,或存储器与外设之间交换数据;控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答信号线等。
2.2单片机的特点
由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺,使其具有很多显著的特点,因而在各个领域都得到了迅猛的发展。
单片机主要发如下特点:
(1)有优异的性能价格比。
(2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上,内部采用总线结构,减少了各芯片之间的连线,大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外,其体积小,对于强磁场环境易于采取屏蔽措施,适合在恶劣环境下工作。
(3)控制功能强。
为了满足工业控制的要求,一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
(4)低功耗、低电压,便于生产便携式产品。
(5)外部总线增加了IC(Inter-IntegratedCircuit)及SPI(SerialPeripheralInterface)等串行总线方式,进一步缩小了体积,简化了结构。
(6)单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用系统。
2.3单片机的分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域,应用一个较科学的分类方法。
根据目前发展情况,从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
1.通用型/专用型
这是按单片机适用范围来区分的。
例如,80C51是通用型单片机,它不是为某种专用途设计的;专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的,例如为了满足电子体温计的要求,在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
2.总线型/非总线型
这是按单片机是否提供并行总线来区分的。
总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线,这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接,另外,许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内,因此在许多情况下可以不要并行扩展总线,大大减省封装成本和芯片体积,这类单片机称为非总线型单片机。
3.控制型/家电型
这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。
一般而言,工控型寻址范围大,运算能力强;用于家电的单片机多为专用型,通常是小封装、低价格,外围器件和外设接口集成度高。
显然,上述分类并不是惟一的和严格的。
例如,80C51类单片机既是通用型又是总线型,还可以作工控用。
三.设计方案
3.1系统主要功能
电子钟的主要功能有:
四只LED数码管显示当前时间;两个按钮,一个用作“分”的设定另一个做“秒”的设定。
长按按钮可进行快进调节。
3.2硬件设计
电脑钟的原理框图如图1所示。
它由以下几个部件组成:
单片机89C2051、电源、时间显示部件以及显示驱动部分。
时分显示采用静态扫描,用74LS164驱动数码管显示时分,显示驱动的数据输出和时钟信号输出都通过AT89C2051的P1.0和P1.1口控制。
电源部分:
电源部分有二部分组成。
一部分是由220V的市电通过变压、整流稳压来得到+5V电压,维持系统的正常工作。
3.2.1AT89C2051单片机及其引脚说明
AT89C2051单片机是51系列单片机的一个成员,是8051单片机的简化版。
内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器,与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。
由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中,因此,AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统,省去了外部的RAM、ROM和接口器件,减少了硬件开销,节省了成本,提高了系统的性价比。
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片,引脚配置如图2所示。
与8051相比,AT89C2051减少了两个对外端口(即P0、P2口),使它最大可能地减少了对外引脚下,因而芯片尺寸有所减小。
AT89C2051芯片的20个引脚功能为:
图2AT89C2051引脚配置
VCC电源电压。
GND接地。
RST复位输入。
当RST变为高电平并保持2个机器周期时,所有I/O引脚复位至“1”。
XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2来自反向振荡放大器的输出。
P1口8位双向I/O口。
引脚P1.2~P1.7提供内部上拉,当作为输入并被外部下拉为低电平时,它们将输出电流,这是因内部上拉的缘故。
P1.0和P1.1需要外部上拉,可用作片内精确模拟比较器的正向输入(AIN0)和反向输入(AIN1),P1口输出缓冲器能接收20mA电流,并能直接驱动LED显示器;P1口引脚写入“1”后,可用作输入。
在闪速编程与编程校验期间,P1口也可接收编码数据。
P3口引脚P3.0~P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。
P3.6在内部已与片内比较器输出相连,不能作为通用I/O引脚访问。
P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流;P3口写入“1”后,内部上拉,可用输入。
P3口也可用作特殊功能口,其功能见表1。
P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
表1P3口特殊功能
P3口引脚
特殊功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
(外部中断0)
P3.3
(外部中断1)
P3.4
T0(定时器0外部输入)
P3.5
T1(定时器1外部输入)
3.2.2驱动部件
本设计的驱动电路采用74LS164,74LS164是最常见的移位寄存器,移位寄存器是暂时记忆数据的“寄存器”,其特征是具有将数据向左或向右移动的功能。
移位寄存器有各种形式。
按存数据的位数有4位、8位等,按“输入/输出数据”形式有“串入/串出”、“串入/并出”、“并入/串出”、“并入/并入”等。
图3(a)是串行输入/并行(串行)输出移位寄存器74LS164的管脚排列图。
其功能表见表2所示。
74LS164有两个串行数据DA、DB输入端,使用时一般把它们连在一起;
为清零输入端,低电平有效,当该端加入低电平时,寄存器输出Q0~Q7全为低电平。
在正常情况下,清零输入端接高电平,当CP信号上升沿到来时,数据右移一位;Q0~Q7为并行数据输出端,同时Q7端也是串行数据输出端,对于串行输入的数据,最先输入的从Q7输出,最后进入的从Q0输出。
CP为移位脉冲。
图3常用移位寄存器管脚排列图
表274LS164的真值表
输入
输出
CPDADB
Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7
0XXX
00000000
10XX
Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7
1↑11
1Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6
1↑0X
0Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6
1↑X0
0Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6
3.2.3时间显示部件
由于系统要显示的内容较简单,显示量不多,所以选用数码管既方便又经济。
LED有共阴极和共阳极两种。
如图4所示。
二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地,而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起,接入+5V的电压。
一位显示器由8个发光二极管组成,其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划(段)a~g,另一个小数点为dp发光二极管。
当在某段发光二极管施加一定的正向电压时,该段笔划即亮;不加电压则暗。
为了保护各段LED不被损坏,需外加限流电阻。
图4LED数码管结构原理图
众所周知,LED显示数码管通常由硬件7段译码集成电路,完成从数字到显示码的译码驱动。
本系统采用软件译码,以减小体积,降低成本和功耗,软件译码的另一优势还在于比硬件译码有更大的灵活性。
所谓软件译码,即由单片机软件完成从数字到显示码的转换。
从LED数码管结构原理可知,为了显示字符,要为LED显示数码管提供显示段码,组成一个“8”字形字符的7段,再加上1个小数点位,共计8段,因此提供给LED数码管的显示段码为1个字节。
各段码位与显示段的对应关系如表3。
段码位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示段
dp
g
f
e
d
c
b
a
表3各段码位的对应关系
需说明的是当用数据口连接LED数码管a~dp引脚时,不同的连接方法,各段码位与显示段有不同的对应关系。
通常数据口的D0位与a段连接,D1位与b段连接,……D7位与dp段连接,如表3所示,表4为用于LED
码管显示的十六进制数和空白字符与P的显示段码。
表4LED显示段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
字型
共阳极段码
共阴极段码
0
C0H
3FH
9
90H
6FH
1
F9H
06H
A
88H
77H
2
A4H
5BH
B
83H
7CH
3
BOH
4FH
C
C6H
39H
4
99H
66H
D
A1H
5EH
5
92H
6DH
E
86H
79H
6
82H
7DH
F
84H
71H
7
F8H
07H
空白
FFH
00H
8
80H
7FH
P
8CH
73H
注:
(1)本表所列各字符的显示段码均为小数点不亮的情况。
(2)“空白”字符即没有任何显示。
3.2.4总原理图设计
根据AT89C2051单片机灌电流能力强,拉电流能力弱的特点,我们选用共阴数码管。
将AT89C2051的P1.0~P1.1分别与74LS164的数据输入口和时钟信号输入口相连,74LS164是8位串入并出移位寄存器,负责将P1.0输出的串行数据转换成并行信号。
显然,这种方式显示同样的位数使用单片机的口线大大减少,即可以让LED当前时间数值,数码管显示器有二种工作方式,即静态显示方式和动态扫描显示方式。
为节省端口,本系统采用静态扫描显示方式。
系统的时分显示部件由4只7段共阳LED数码管构成,前两只用于时的显示,后两只用于分的显示。
每个LED数码管由相对应的74LS164驱动,数码管的a,b,c,d,e,f,g,h,分别分别74LS164的QA,QB,QC,QD,QE,QF,QH相连。
具体设计原理图及实物PCB图见下图所示:
数字钟原理图5
3.3软件设计
本系统的软件系统主要可分为主程序和定时器中断程序以及查询P1.2,P1.3端口并判断是否调用子程序三大模块。
下面对部分模块作介绍。
3.3.1系统主程序设计
主程序的功能是完成系统的初始化,程序流程如图4所示。
图7
时间设置设计
在时间设置功能设计中,主要用判断语句JBP1.2,REL或JBP1.3,REL,进行对P1.2,P1.3端口的电平高低进行实时查询判断,初始值为低电平,当P1.2检查到高电平时,关闭TO,T1定时器中断,并使T0停止计时,进入分设置模式,设置完毕后返回,同时打开TO,T1定时器中断,并使T0开始计时;当P1.2检查到高电平时,同样的关闭TO,T1定时器中断,并使T0停止计时,进入时设置模式,设置完毕后返回,同时打开TO,T1定时器中断,并使T0开始计时。
分设置具体流程图设计见图(10)
分设置流程图与秒设置基本相似,把P1.2端口换成P1.3即可,在进位过程中的设计可以参看图,使之能在60时进位置00时。
流程图设计
(60min、60s既复位清零)
“秒”设置流程图图(10)
3.4错误检测
在此设计过程中,就对时分之间的点闪烁体现是用查表输出形式实现的,由于本系统设计是采用74LS164驱动数码管,只有一个数据信号输入口,所以不能对数码管进行“位”控,只能对数码管的整体显示进行控制。
所以每秒内至少需两次数据输出并显示,第一次输出显示的数的小数点都不亮,第二次输出显示的数(数的值不变)中第三个数码管的数的小数点亮,两者交替输出显示,即可实现点时分之间的点闪烁。
在具体实现过程中是用查表方式实现,即在第二次输出显示时,把R3的值加10,既R3查表所得的值是TAB表格中第二排数值(参看程序清单),而第二排数值所对应显示的数都是小数点亮的,在此次输出显示完成后,再把R3减10,返回原来的值并继续进行计时。
另外在设计按钮时,一开始遇到的难题是:
按一下按钮,时或分所加的数值并不为1,加的数为不确定值,最后经过研究,使设计程序在查询P1.2,P1.3端口时,若检测到高电平时需延迟20ms左右后,再进行二次检测,以消除按钮的抖动干扰,使之按一下能正确调节时分进行加1调整(参看程序清单)。
最后值得总结的是,在程序设计过程中还存在很多细节上的问题,如因为没有对进位标志位CY清零,在其他程序都正确的情况下却始终调不出正确满意的结果,最后费了很多时间精力去查找寻错,才得以解决。
3.5总结
上述电子钟,在外观上实行最简洁设计。
在元器件配置上选择最实惠器件进行设计,且功能完整,计时正确,精确度可达0.1S,已完全符合设计要求。
另外值得一提的是,本电子钟设计过程中,附加了比较实用功能,长按按钮,按住不放,可进行快进,即快速调节时间,按一下则进行加1调节,此功能并不需要任何的硬件,只需对程序进行稍微设计即可,所以此电子钟已完全符合市场上的所售电子时钟的一般功能的要求。
若需要,可进行批量生产,进行销售。
四.结束语
通过这次的设计使我认识到我对单片机方面的知识知道的太少了,对于书本上的很多知识还不能灵活运用,有很多我们需要掌握的知识在等着我去学习,我会在以后的学习生活中弥补我所缺少的知识。
本次的设计使我从中学到了一些
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